1 2 N Chu kỳ bus (chu kỳ TDMA)
2.7 Kỹ thuật truyền dẫn
Truyền dữ liệu nối tiếp, khụng đồng bộ là phương phỏp được sử dụng chủ yếu trong cỏc hệ thống mạng truyền thụng cụng nghiệp. Với phương phỏp này, cỏc bit được truyền từ bờn gửi tới bờn nhận một cỏch tuần tự trờn cựng một đường truyền. Cũng chớnh vỡ khụng cú một đường dõy riờng biệt mang tớn hiệu nhịp, nờn việc đồng bộ húa thuộc trỏch nhiệm do bờn gửi và bờn nhận thỏa thuận trờn cơ sở một giao thức truyền thụng.
Cỏc chuẩn truyền dẫn TIA/EIA
EIA (Electronic Industry Association) và TIA (Telecommunication Industry
Association) là cỏc hiệp hội đó xõy dựng và phỏt triển một số chuẩn giao diện cho
truyền thụng cụng nghiệp, trong đú cú cỏc chuẩn truyền dẫn nối tiếp. Theo nghĩa truyền thống, một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trước hết được hiểu là cỏc qui định được thống nhất về giao diện vật lý giữa cỏc thiết bị cuối xử lý dữ liệu (Data
Terminal Equipment, DTE) và cỏc thiết bị truyền dữ liệu (Data Communication Equipment, DCE). Một vớ dụ tiờu biểu của giao diện DTE/DCE là chuẩn RS-232
giữa mỏy tớnh và Modem. Tuy vậy, phạm vi sử dụng cỏc chuẩn truyền nối tiếp khụng chỉ hạn chế ở việc kết nối giữa cỏc DTE và DCE theo nghĩa cổ điển.
51
Cỏc chuẩn truyền nối tiếp được đề cập tới trong chương mục này là cỏc chuẩn được sử dụng rộng rói nhất trong truyền thụng cụng nghiệp, đú là EIA/TIA-232, EIA/TIA-
422 và đặc biệt là EIA/TIA-485. Trước kia, cỏc chuẩn đú được đặt chữ “RS” ở đầu với nghĩa là “Recommended Standard”. Sau này, “RS” đó được thống nhất thay thế bằng “EIA/TIA”. Chỳ ý rằng, chữ cỏi ở cuối mỗi tờn chuẩn ký hiệu phiờn bản chỉnh lý, bổ sung. Vớ dụ, EIA/TIA-232-E chỉ phiờn bản chỉnh lý lần thứ năm của RS-232, EIA/TIA-485-A chỉ phiờn bản chỉnh lý lần thứ nhất của RS-485.
Cỏc chuẩn truyền dẫn của EIA/TIA được chia thành ba phạm trự sau:
• Cỏc chuẩn giao diện trọn vẹn (Complete Interface Standards), vớ dụ EIA/TIA-232-F, EIA/TIA-530-A và EIA/TIA-561, đưa ra toàn bộ cỏc qui định về mặt chức năng, về mặt cơ học và về mặt điện học.
• Cỏc chuẩn riờng về điện học (Electrical Only Standards), vớ dụ EIA/TIA- 232-F phần 2, EIA/TIA-422-B và EIA/TIA-485-A, chỉ định nghĩa cỏc thụng số về mặt điện học, được trớch dẫn trong cỏc chuẩn giao diện trọn vẹn. • Cỏc chuẩn về chất lượng tớn hiệu (Signal Quality Standards), vớ dụ EIA-334-
A, EIA-363 và EIA-404-A, định nghĩa cỏc thuật ngữ và phương phỏp cho việc đỏnh giỏ chất lượng tớn hiệu.
Phần trỡnh bày dưới đõy tập trung vào cỏc vấn đề liờn quan tới giao diện về mặt điện học của ba chuẩn EIA/TIA-232-F, EIA/TIA-422-B và EIA/TIA-485-A. Để tiện cho việc trỡnh bày cũng như theo dừi, chữ “RS” sẽ được sử dụng trong suốt phần cuối của bài giảng này. Do vai trũ quan trọng tuyệt đối của RS-485 trong mạng truyền thụng cụng nghiệp, chuẩn này sẽ được mụ tả kỹ lưỡng nhất.
Tớn hiệu được dựng để truyền tải thụng tin. Khụng kể tới mụi trường truyền dẫn thỡ cỏc thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tớn hiệu gồm cú bộ phỏt (transmitter, generator), hay cũn gọi là bộ kớch thớch (driver, ký hiệu là D), và bộ thu (receiver, ký hiệu là R). Một thiết bị vừa thu và phỏt, hay bộ thu phỏt được gọi với cỏi tờn ghộp là transceiver.
Hai phương thức truyền dẫn tớn hiệu cơ bản được dựng trong cỏc hệ thống truyền thụng cụng nghiệp, đú là phương thức chờnh lệch đối xứng (balanced differential
mode) và phương thức khụng đối xứng hay phương thức đơn cực (unbalanced mode, single-ended mode).
Truyền dẫn khụng đối xứng
Truyền dẫn khụng đối xứng sử dụng điện ỏp của một dõy dẫn so với đất để thể hiện cỏc trạng thỏi logic (1 và 0) của một tớn hiệu số. Chỳ ý rằng sự liờn quan giữa trạng thỏi logic của một tớn hiệu với trạng thỏi logic của dóy bit mang thụng tin được truyền phụ thuộc vào phương phỏp mó húa bit, tức là giỏ trị logic của tớn hiệu tại một thời điểm khụng nhất thiết phải đồng nhất với giỏ trị logic của bit tương ứng mang thụng tin.
Một trong những ưu điểm của phương thức truyền dẫn khụng đối xứng là chỉ cần một đường dõy đất chung cho nhiều kờnh tớn hiệu trong trường hợp cần thiết,
52
như Hỡnh 2.24 minh họa. Nhờ vậy tiết kiệm được số lượng dõy dẫn và cỏc linh kiện ghộp nối.
D R
R D
D R
Hỡnh 2.24: Truyền dẫn khụng đối xứng (3 kờnh, 4 dõy dẫn)
Việc sử dụng đất làm điểm tựa cho việc đỏnh giỏ mức tớn hiệu bộc lộ một nhược điểm cơ bản là khả năng chống nhiễu kộm. Nguyờn nhõn gõy nhiễu ở đõy cú thể là mụi trường xung quanh, sự xuyờn õm (crosstalk) hoặc do chờnh lệch điện ỏp đất của cỏc đối tỏc truyền thụng. Điều này cũng dẫn đến sự hạn chế về chiều dài dõy dẫn cũng như tốc độ truyền.
Truyền dẫn chờnh lệch đối xứng
Truyền dẫn chờnh lệch đối xứng sử dụng điện ỏp giữa hai dõy dẫn (A và B hay dõy - và dõy +) để biểu diễn trạng thỏi logic (1 và 0) của tớn hiệu, khụng phụ thuộc vào đất
Khỏi niệm “chờnh lệch đối xứng” ở đõy được thể hiện qua sự cõn xứng (tương đối) về điện ỏp của hai dõy A và B đối với điện ỏp chế độ chung trong điều kiện
làm việc bỡnh thường. Một tỏc động nhiễu ở bờn ngoài sẽ làm tăng hay giảm tức thời điện ỏp ở cả hai dõy một giỏ trị gần tương đương, vỡ thế tớn hiệu ớt bị sai lệch.
53
Sự khỏc nhau về điện ỏp đất giữa cỏc thiết bị tham gia truyền thụng cũng hầu như khụng ảnh hưởng trực tiếp tới việc đỏnh giỏ giỏ trị logic của tớn hiệu. Một nguyờn nhõn gõy nhiễu khỏc là sự xuyờn õm cũng được loại trừ đỏng kể khi dựng đụi dõy xoắn (twisted pair). Những ưu điểm trờn đõy dẫn đến sự phổ biến của phương thức truyền dẫn chờnh lệch đối xứng trong cỏc hệ thống truyền thụng tốc độ cao và phạm vi rộng. A A' D VNOI SE R B B' VOS VCM C VGPD C'
Hỡnh 2.26: Điện ỏp chế độ chung VCM và chờnh lệch điện ỏp đất VGPD
Trở đầu cuối (terminating resistance)
Thụng lại, giống dẫn tương truyềntớn
thường, một tớn hiệu được phỏt đi khi tới một đầu dõy sẽ phản xạ ngược trở như hiện tượng phản xạ ỏnh sỏng. Khi tốc độ truyền tương đối thấp hoặc dõy đối ngắn, sao cho thời gian bit TB lớn hơn gấp nhiều lần so với thời gian lan hiệu TS, tớn hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiờu sau một vài lần qua lại,
54
2.7.2 RS-232
RS-232 (tương ứng với chuẩn chõu Âu là CCITT V.24) lỳc đầu được xõy dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghộp nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE,
Data Terminal Equipment), vớ dụ giữa hai mỏy tớnh (PC, PLC, v.v...), giữa mỏy
tớnh và mỏy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment), vớ dụ giữa mỏy tớnh và Modem (Hỡnh 2.27). ĐƯỜNG RS-232 MODE M MODE M
DTE (DCE) (DCE) DTE
VIỄN THễNG
Hỡnh 2.27: Giao tiếp giữa hai mỏy tớnh thụng qua Modem và RS-232
Mặc dự tớnh năng hạn chế, RS-232 là một trong cỏc chuẩn tớn hiệu cú từ lõu nhất, vỡ thế được sử dụng rất rộng rói. Ngày nay, mỗi mỏy tớnh cỏ nhõn đều cú một vài cổng RS-
232 (cổng COM), cú thể sử dụng tự do để nối với cỏc thiết bị ngoại vi hoặc với cỏc mỏy tớnh khỏc. Nhiều thiết bị cụng nghiệp cũng tớch hợp cổng RS-232 phục vụ lập trỡnh hoặc tham số húa.
Đặc tớnh điện học
RS-232 sử dụng phương thức truyền khụng đối xứng, tức là sử dụng tớn hiệu điện ỏp chờnh lệch giữa một dõy dẫn và đất. Mức điện ỏp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V tới 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giỏ trị logic 0, khoảng từ -15V đến - 3V ứng với giỏ trị logic 1, như biểu diễn trờn Hỡnh 2.28.
Chớnh vỡ từ -3V tới 3V là phạm vi khụng được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giỏ trị logic từ 0 lờn 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tớn hiệu phải vượt qua khoảng quỏ độ đú trong một thời gian ngắn hợp lý. Vớ dụ, tiờu chuẩn DIN 66259 phần 2 qui định độ dốc tối thiểu của một tớn hiệu phải là 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tựy theo giỏ trị nào nhỏ hơn. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của cỏc thiết bị tham gia và của cả đường truyền.
Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dõy dẫn. Đa số cỏc hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2kBd (chiều dài cho phộp 30-50m). Gần đõy, sự tiến bộ trong vi mạch đó gúp phần nõng cao tốc độ của cỏc modem lờn nhiều lần so với ngưỡng 19.2kBd. Hiện nay đó cú những mạch thu phỏt đạt tốc độ 460kBd
55
và hơn nữa, tuy nhiờn tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115.2 kBd theo chuẩn RS- 232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khú cú thể thực hiện.
D R +25V +15V 0 Giao diện RS-232 +3V -3V -15V -25V quá độ Kh u vực 1 Phạ m v i làm việc cho phép
56
Hỡnh 2.28: Qui định trạng thỏi logic của tớn hiệu RS-232
Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là cú thể sử dụng cụng suất phỏt tương đối thấp, nhờ trở khỏng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ. Bảng 2.1 dưới đõy túm tắt một số thụng số điện học quan trọng của RS-232.
Giao diện cơ học
Chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (chớn chõn), DB-25 (25 chõn) và ALT-A (26 chõn), trong đú hai loại đầu được sử dụng rộng rói hơn. Loại DB-9 cũng đó được chuẩn húa riờng trong EIA/TIA-574.
í nghĩa của cỏc chõn quan trọng được mụ tả dưới đõy. • RxD (Receive Data): Đường nhận dữ liệu
• TxD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu
• DTR (Data Terminal Ready): Chõn DTR thường ở trạng thỏi ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kờnh truyền thụng. Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thỏi ON, thiết bị đầu cuối cho phộp DCE của nú ở chế độ “tự trả lời” chấp nhận lời gọi khụng yờu cầu. Mạch DTR ở trạng thỏi OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối khụng muốn DCE của nú chấp nhận lời gọi từ xa (chế độ cục bộ).
Bảng 2.1: Túm tắt cỏc thụng số quan trọng của RS-232
Thụng số Điều kiện Tối thiểu Tối đa
Điện ỏp đầu ra hở mạch 25V
Điện ỏp đầu ra khi cú tải 3kΩ ≤ RL ≤ 7kΩ 5V 15V Trở khỏng đầu ra khi cắt
nguồn -2V≤VO≤2V 300Ω
Dũng ra ngắn mạch 500mA
Điện dung tải 2500pF
Trở khỏng đầu vào 3V≤VI≤25V 3kΩ 7kΩ
Ngưỡng cho giỏ trị logic 0 3V
Ngưỡng cho giỏ trị logic 1 -3V
• DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai modem chuyển mạch DSR sang ON khi một đường truyền thụng đó được thiết lập giữa hai bờn.
57
• DCD (Data Carrier Detect): Chõn DCD được sử dụng để kiểm soỏt truy nhập đường truyền. Một trạm nhận tớn hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tỏc chưa đúng mạch yờu cầu gửi dữ liệu (chõn RTS) và vỡ thế cú thể đoạt quyền kiểm soỏt đường truyền nếu cần thiết. Ngược lại, tớn hiệu DCD là ON chỉ thị bờn đối tỏc đó gửi tớn hiệu RTS và giành quyền kiểm soỏt đường truyền.
• RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soỏt chiều truyền dữ liệu. Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nú đúng mạch RTS sang ON để bỏo hiệu với modem của nú. Thụng tin này cũng được chuyển tiếp tới modem xa.
• CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thụng bỏo rằng modem của nú đó sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soỏt đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa.
• RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển ON/OFF một cỏch tuần tự với chuụng điện thoại để bỏo hiệu cho trạm đầu cuối. Tớn hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yờu cầu thiết lập liờn kết dial- up.
Chế độ làm việc
Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cựng cú thể thu và phỏt tớn hiệu cựng một lỳc. Như vậy, việc thực hiện truyền thụng cần tối thiểu 3 dõy dẫn - trong đú hai dõy tớn hiệu nối chộo cỏc đầu thu phỏt của hai trạm và một dõy đất, như a minh họa. Với cấu hỡnh tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tớn hiệu thuộc về trỏch nhiệm của phần mềm.
Hỡnh 2.29b minh họa một vớ dụ ghộp nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay (handshake mode) khụng thụng qua modem. Qua việc sử dụng cỏc dõy dẫn DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này, cỏc chõn RTS và CTS được nối ngắn. Lưu ý rằng, trong trường hợp truyền thụng qua modem, cấu hỡnh ghộp nối sẽ khỏc một chỳt.
58